增子坊礦厚煤層采動及斷層影響下礦壓顯現規律

高 飛

(晉能控股煤業集團 鐵峰煤業有限公司，山西 右玉 037200)

隨著我國經濟的不斷發展，煤炭需求量不斷增加，華東、東北等地賦存條件較好的煤炭資源日益枯竭，大量礦井面臨復雜構造煤層的開采難題，斷層就是煤礦井下最常見的地質構造之一。

斷層內部節理裂隙發育，割裂了地下巖體的完整性，附近進行采掘活動時，受斷層應力阻隔作用導致采動應力分布異常，容易在斷層附近造成嚴重的事故，給煤礦安全生產造成巨大威脅[1-4]。因此深入剖析斷層影響下工作面采動時圍巖的應力及破壞特征，對礦井的安全生產、災害防治具有重要意義。增子坊礦工作面賦存多條影響較大的斷層，對工作面回采造成威脅，因此本文對該礦斷層影響下工作面回采礦壓顯現規律進行研究，為工作面的生產安全提供依據。

工作面采用兩巷布置，見圖1，5300-1運輸巷、5300-1回風巷沿5號煤層底板掘進。5300-1工作面東部為實煤體，西側留設5300工作面保護煤柱7 m。該工作面地層大致為不對稱背斜構造，中南部高，兩邊低，相對高差50 m左右。5300-1工作面共計揭露正斷層10條，斷層落差1.0～20.0 m，其中F7、F8、F9斷層對工作面回采影響較大，斷層具體位置及落差見圖1。F7斷層走向275°，傾向NE，傾向45～60°，落差20.0 m；F8斷層走向317°，傾向WS，傾向50～60°，落差20.0 m；F8斷層走向287°，傾向WS，傾向75°，落差19.0 m。

圖1 工作面布置及斷層分布

1 工程概況

5300-1工作面位于增子坊礦53盤區中東部，南起53盤區膠帶巷，北隔35 m為35 m正斷層；西鄰已采5300工作面；東部為實煤體，采用綜放開采；該工作面為53盤區首采(5號)煤層，上覆無采空區和積水。所采5號煤層賦存較穩定，平均煤厚11.50 m，煤層含1～7層夾矸。單層夾矸厚度0.2～2.83 m，煤層平均傾角2.5°，煤層各頂板的巖性見表1。該工作面水文地質條件簡單，正常涌水量0.5 m3/h，最大涌水量1.5 m3/h。

表1 煤層頂板底板巖性

2 斷層導致的災害類型

斷層等地質構造的存在對礦井的安全開采具有重大影響，斷層附近巖體破碎、完整性差、 巖體強度低且易變形，再加上工作面回采的采動影響，使斷層“活化”，進而破壞工作面圍巖的穩定性，容易誘發地質災害，如冒頂、地表沉陷、礦井突水、沖擊地壓等。

1) 冒頂。斷層破壞了煤層頂板的結構完整性。當工作面推進到靠近斷層時，在采動擾動及礦壓作用下，煤層頂板沿斷層面兩側出現滑移，無法形成穩定的砌體梁結構，導致斷層面附近煤巖體破碎程度升高、破碎區范圍增大，冒頂事故的傾向性增大。

2) 地表沉陷。一方面斷層的傾角越大對地表的沉陷影響越大，且當斷層傾角、位置一定時，斷層露頭處離地表越近時，斷層對地表沉降的影響越大。斷層在采動影響下產生了離層體，這一離層體的產生將導致斷層所在巖體的移動[5]。

3) 礦井突水。斷層巖體在水源浸泡下崩解而喪失強度，且極易形成突水通道。采動下斷層活化促使裂隙擴展，削弱了隔水層的隔水性，利于導水從而引發突水；如果斷層是封閉含水的斷層，在采動作用下，斷層帶中封閉水的水壓增加，加強了水壓對巖石的破壞作用，有助于斷層的活化[6]。

4) 沖擊地壓。斷層形成過程中，斷層兩側煤巖體中形成了大量以水平應力為主的構造應力。煤層開采前，斷層兩側巖體處于穩定的力學平衡狀態；但當煤層開采后，隨著采空區頂板斷裂、失穩、垮落，導致頂、底板中的水平應力發生轉移，構造應力在釋放過程中會導致斷層附近煤巖體發生破壞而引起震動，進而誘發沖擊礦壓[7-8]。

3 斷層工作面回采應力分布特征

本文基于300-1工作面的工程地質條件，利用FLAC3D數值模擬計算軟件研究工作面斷層在工作面回采過程中圍巖工作面應力分布及回采巷道變形破壞特征進行分析。

3.1 數值模型構建

本文基于5300-1工作面的工程地質條件，利用FLAC3D數值模擬計算軟件研究工作面斷層在工作面回采過程中圍巖工作面應力分布及回采巷道變形破壞特征進行分析。建立圖2所示的模型，模型為沿走向長度為300 m、傾向為100 m、高度為86 m。模型的頂部施加均布載荷，四周及底邊固定，設定法向約束。各巖層的參數采用實驗室測得的力學參數，采用FLAC3D數值模擬軟件中的interface 可模擬巖層的接觸面直接相互擠壓、錯動及分離的作用過程，因此可通過interface命令來模擬斷層，利用接觸面的參數：法向剛度、切向剛度、粘結力及摩檫力來模擬斷層的參數，為了便于建模及計算，模型中斷層傾角45°，落差20 m。計算采用Mohr Coulomb強度準則，垮落帶采用雙屈服模型處理。

圖2 數值模型圖

3.2 工作面超前支承壓力分布

圖3為工作面推進過程中超前支承壓力的分布情況，離斷層位置分別為推進到斷層左側(上盤)80 m、55 m、30 m和0 m，推進斷層右側(下盤)25 m、50 m?？梢园l現：在斷層上盤時，工作面推進過程中離斷層距離越近，超前支承壓力峰值不斷增大，從10.67 MPa增加到26.5 MPa，離斷層越近，峰值應力增加的梯度越大。當回采到斷層位置附近時，由于斷層對應力的阻隔作用，高應力的作用范圍逐漸減小，應力更多是集中于斷層位置區域的巖層。當在工作面下盤開采時，工作面超前支承壓力峰值明顯小于上盤開采時期，僅有6 MPa左右；但斷層附近巖體的應力集中系數進一步增大。

3.3 超前影響階段圍巖巷道應力及破壞特征

工作面回采時，在斷層附近應力集中系數顯著增大，回采巷道必然受到超前支承壓力的擾動影響，斷層附近更是如此。圖4為巷道不同測點受工作面超前支承壓力影響下的塑性區分布，1號測點選取斷層影響較弱處，2號測點選取斷層影響較強的上盤位置，3號測點選取斷層影響較強的下盤位置。從圖5可以發現：1號測點在超前支承壓力影響下，巷道最大塑性破化深度左幫3 m、右幫4 m、頂板6 m，右幫塑性區與工作面前方煤體塑性區有貫通趨勢；2號測點巷道最大塑性破壞深度左幫4 m、右幫與頂板塑性區與工作面前方煤體及頂板塑性區貫通，破壞嚴重；3號測點巷道最大塑性破壞深度左幫2 m、頂板3 m，右幫塑性區與工作面前方煤體塑性區貫通；說明在斷層影響下，當巷道位于斷層上盤時，巷道超前影響段圍巖破壞嚴重；當巷道位于斷層下盤附近時，巷道圍巖破壞程度較小。

圖4 巷道不同位置處塑性區分布圖

圖5 巷道不同位置處幫部應力分布圖

圖5為不同測點處的垂直應力分布曲線，可以發現，斷層上盤影響段垂直應力峰值最大，且峰值點離巷道幫部最近，導致巷道煤巖體處于高應力中，巷道失穩破壞。斷層下盤影響段，垂直應力峰值最小，且峰值點離巷道幫部最遠，巷道穩定性相對較好。因此在工作面回采過程中，工作面推進到斷層附近時需加強支護，尤其是對于實體煤側，煤巖破碎，支護困難。從巷道圍巖變形破壞的特征來看，塑性區主要集中在實體煤側及巷道頂板，呈現不對稱特征，需要對巷道不同區域進行針對性控制。

4 結 語

1) 本文以增子坊礦5300-1工作面位于具體工程地質條件為背景，分析其斷層的賦存情況及影響，基于前人的研究分析，總結了斷層對地質災害形成的影響規律。

2) 通過FLAC3D數值模擬軟件模擬斷層影響下工作面超前支承壓力的分布規律、巷道不同位置超前影響段垂直應力分布及圍巖破壞特征，結果顯示：在斷層上盤，工作面推進離斷層越近，超前應力峰值越大，斷層附近巖體應力越集中；工作面推進到下盤時，超前應力峰值較?。幌锏涝跀鄬由媳P附近時，在應力與斷層耦合作用下應力集中，圍巖變形破壞嚴重；巷道在斷層下盤附近時，應力較小，圍巖破壞甚至小于無斷層影響下的巷道。

3) 本文分析了斷層下工作面及巷道圍巖應力及破壞特征，這對于工作面回采時的安全生產具有重要意義，對同類礦山斷層影響工作面回采具有一定的指導意義。